Overview
출처: 슈레야스 나르시푸르, 기계 및 항공 우주 공학, 노스 캐롤라이나 주립 대학, 롤리, NC
유체 압력은 시스템의 공기 역학을 결정하는 데 필요한 중요한 유동 특성입니다. 가장 오래되고 여전히 기존의 압력 측정 시스템 중 하나는 작동의 정확성과 단순성으로 인해 기마계입니다. 기마계는 일반적으로 그림 1에도시된 바와 같이 부분적으로 액체로 채워진 U자 형 유리 튜브입니다. U-튜브 기마계는 움직이는 부품이 없기 때문에 교정이 필요하지 않으며 측정은 중력의 기능과액체밀도입니다. 따라서, 기마계는 간단하고 정확한 측정 시스템입니다.
그림 1. U-튜브 기마계의 회로도.
유체 유압을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 장치인 피토 정적 프로브의 정체 및 정적 압력 포트를 압력 측정 장치의 포트에 연결하여 항공기에서 실시간 압력 측정을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 조종사는 기존 비행 조건을 확보하고 비행 조건이 변경될 경우 경고할 수 있습니다. 기마계는 매우 정확한 압력 판독값을 제공하지만 본질적으로 부피가 큽합니다. 항공기 압력을 측정하기 위해서는 보다 현실적인 솔루션이 필요하며, 주요 설계 목표 중 하나는 전체 항공기 중량을 가능한 한 낮게 유지하는 것입니다. 오늘날, 가압을 전기 신호로 변환하는 전기 기계 압력 트랜스듀서는 작고 가볍고 기체의 거의 모든 곳에 배치 할 수 있기 때문에 항공기의 압력 감지 응용 분야에 널리 사용됩니다. 위의 특성은 무게를 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 피토 정적 프로브를 트랜스듀서에 연결하는 데 필요한 튜브의 양을 줄여 데이터 응답 시간을 줄입니다. 또한 실험적인 항공기 비행 테스트에서 소형 압력 트랜스듀서는 연구원이 항공기의 무게를 크게 증가하지 않고 압력 데이터 수집을 최대화할 수 있도록 유용합니다. 다양한 측정 기술을 가진 다양한 유형의 압력 트랜스듀서가 존재하지만, 더 일반적인 유형의 트랜스듀서 중 하나는 정전용량 압력 변환기입니다. 트랜스듀서는 전압 및 전류 측면에서만 신호를 전송할 수 있기 때문에 트랜스듀서의 교정은 특정 신호의 강도를 트랜스듀서가 신호를 생성하는 원인이 되는 압력과 관련이 있습니다. 트랜스듀서 전류 또는 전압과 물리적 측정과 관련된 최종 곡선 피팅은 당사의 경우 압력에서 일반적으로 트랜스듀서 교정 곡선이라고 합니다.
이 실험에서 피토 정적 프로브는 U-튜브 기마계와 압력 변환기의 총 및 정적 포트에 연결된 침체 및 정적 압력 포트가 있는 아음속 풍동에 배치됩니다. 그런 다음 풍동은 다른 동적 압력 설정에서 실행되며 U-튜브 기마계에서 해당 압력 판독값과 트랜스듀서에 의해 생성된 전류 판독값이 기록됩니다. 그런 다음 이 데이터는 압력 변환기의 교정 곡선을 생성하는 데 사용됩니다.
Principles
동적 압력을 측정하기 위해 U-튜브 기마계의 각 다리는 피토 정적 튜브의 정적 및 총 압력 포트에서 알 수없는 압력에 연결됩니다. 결과 차이는 다음 방정식에 의해 제공됩니다.
(1)
이는 U-튜브 기마계의 열 높이 차이를 변환합니다. 압력 또는 동적 압력의 이러한 차이는 식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
(2)
물의 밀도(U-튜브 기마계의 유체)인 경우, g는 중력으로 인한 가속이며, h기계는 U-튜브 기마계의 기둥 높이의 차이이다. 경우에 따라, 기마계는 챔버의 유체의 양이 부족하고 높이의 오프셋, hoff로인해 오프셋을 가질 수 있으며, 위의 방정식에서 다음과 같이 설명되어야 합니다.
(3)
압력 트랜스듀서는 절연체(도2)로분리된 두 개의 전도성 플레이트로 구성된 커패시터의 작동 원리를 기반으로 합니다.
그림 2. 커패시터(A) 및 커패시턴스 압력 변환기(B)의 회로도.
정전 용량은 방정식을 사용하여 측정됩니다.
(4)
μ 재료의 유전체 상수인 경우 A는 플레이트의 영역이며 d는 플레이트 사이의 간격입니다. 커패시턴스 압력 트랜스듀서에서 전도성 플레이트 중 하나가 도 2에도시된 바와 같이 유연한 전도 다이어프램으로 대체된다. 압력이 가해지면 다이어프램이 편향되어 d가 변경되어 커패시턴스가 변경됩니다. 트랜스듀서의 전자 장치는 커패시턴스의 해당 변화에 대한 특정 전압 변화를 생성하도록 보정되며, 이는 주어진 적용 된 압력에 대한 전류를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. 압력 변환기 교정
이 데모에서는 2.6ft x 3.7피트 테스트 섹션과 25psf의 최대 동적 압력 설정을 갖춘 아음속 풍동이 사용되었습니다. 사전 보정된 압력 트랜스듀서는 풍동 시험 단에서 동적 압력을 설정하는 데 사용되었고, 유색수와 스케일을 가진 차동 U-튜브 기마계를 사용하여 유체높이(도 3)를측정하였다. 차동 압력 트랜스듀서(도4),표준 전압 공급(트랜스듀서에서 출력 전류를 판독하기 위해) 및 다중계(트랜스듀서로부터 출력 전류를 판독하기 위해)도 도 5에도시되어 사용되었다.
그림 3. 차동 압력 U-튜브 기마계.
그림 4. 차동 압력 변환기.
그림 5. 전원 공급 장치(왼쪽) 및 멀티미터(오른쪽).
- 수직 찌르기 마운트를 사용하여 풍동 상단에서 표준 피토 정적 튜브(그림 6)를마운트합니다. 프로브가 테스트 섹션의 중심에 있고 흐름에 직접 직면하는 기본 포트와 흐름 방향으로 정렬되었는지 확인합니다.
그림 6. 피토 정적 튜브.
- 기마계 유체의 상단을 유리 튜브의 이중 O 링 마커에 정렬합니다. 본축(갈색, 도 3)의판독값이 0에 해당하지 않는 경우, 다른 기준점을 선택하고, 기마계 유체를 새로운 기준에 정렬하고,높이(hoff)에서오프셋을 기록한다.
- 피토 정적 튜브의 정체 및 정적 압력 콘센트를 U-튜브 기마계의 해당 포트와 유연한 플라스틱 튜브 및 T 채널 커넥터를 사용하여 압력 변환기와 연결합니다. 압력 변환기는 도 4에따라 정렬되는 한 모든 평평한 수직 표면에 장착할 수 있습니다.
- 풍동 도어를 보호하고 모든 시스템을 전환합니다.
- 공기 가 없는 유량 조건(0 판독)에 대한 판독값을 가져 가라.
- 풍동을 시작하고 테스트 섹션의 동적 압력을 1psf로 설정합니다.
- 표 1에 해당하는 데이터를 기록합니다.
- 1psf 단계로 풍동의 동적 압력 설정을 최대 20psf 설정으로 늘리고 각 동적 압력 설정에서 1.7단계를 반복합니다.
- 트랜스듀서 히스테리시스를 확인하려면 1psf 단계의 동적 압력을 0psf로 줄이고 각 동적 압력 설정에서 1.7 단계를 반복하십시오.
- 테스트가 완료되면 모든 시스템을 종료합니다.
표 1. 압력 교정 실험을 위해 수집된 데이터
| P트랜스듀서 (psf) |
h기마계 (에서) |
나는 트랜스듀서 (mA) |
| WT 트랜스듀서 | 기압계 | 멀티 미터 |
모든 비행기는 풍속을 실시간으로 계산하기 위해 압력 측정을 사용합니다. 비행기에서 이러한 압력 측정은 피토 정적 튜브를 사용하여 얻을 수 있습니다.
피토 정적 튜브에는 정체 압력과 정적 압력을 측정하는 개구부가 있습니다. 정체 압력은 정적 압력과 동적 압력의 합계이므로 피토 정적 튜브가 동적 압력및 따라서 유동 속도를 측정하는 데 사용됩니다. 피토 정적 튜브를 사용하여 압력과 풍속을 상관시키는 한 가지 방법은 유체 기압계를 사용하는 것입니다.
유체 기마계는 일반적으로 부분적으로 액체로 채워진 U 자형 유리 튜브입니다. 기마계의 한 팔은 피토 정적 튜브의 정체 압력 포트에 연결되고 다른 하나는 정적 압력 포트에 연결됩니다. 정체된 공기에서는 정전압력과 정체 압력의 차이가 없는 경우, 기마계 유체 높이 차이는 0입니다.
기마계가 압력 차이를 경험하면 유체 높이의 변화에 의해 시각화됩니다. 압력 차동 또는 동적 압력은 이 방정식을 사용하여 델타 H에서 계산됩니다. 여기서, 로L은 기마계에서 유체의 밀도이고 G는 중력 가속이다. 이 관계는 속도 방정식으로 대체하여 풍속을 계산하는 데 사용됩니다. 그런 다음 자유 스트림 밀도, 로 무한대를 사용하여 자유 스트림 속도, V 무한대를 해결할 수 있습니다.
그러나 유체 기미터는 부피가 크고 기내에서 수동 판독이 필요합니다. 따라서, 압력 차동을 측정하는 보다 편리한 방법은 기마계 대신 압력 트랜스듀서를 사용하는 것입니다. 이를 통해 압력 차이를 전기 신호로 변환할 수 있습니다.
커패시턴스 압력 트랜스듀서는 절연체로 구분된 두 개의 전도성 플레이트로 구성된 커패시터의 작동 원리를 기반으로 합니다. 정전 용량은 뮤가 절연체 재료의 유전체 상수인 다음 방정식에 의해 측정되며, A는 플레이트 영역이며, D는 플레이트 사이의 간격이다.
커패시턴스 압력 변환기를 만들기 위해 전도성 플레이트 중 하나가 유연한 전도 다이어프램으로 대체됩니다. 압력이 가해지면 다이어프램이 편향되어 플레이트 D 사이의 간격이 변경되어 커패시턴스가 변경됩니다. 트랜스듀서의 전자 장치는 커패시턴스에서 해당 편차에 대한 특정 전류 변경을 생성하도록 보정됩니다. 따라서, 전류 판독값은 주어진 적용 된 압력에 해당한다.
기마계와 마찬가지로 압력 변환기는 피토 튜브에 연결되어 있으며 알려진 풍속이있는 풍동에서 보정됩니다. 이를 통해 현재와 압력, 그리고 확장, 전류 및 풍속 사이의 수학적 관계를 생성할 수 있습니다.
이 실험실 데모에서는 압력 변환기와 연결된 풍동에서 피토 정적 튜브를 사용합니다. 그런 다음 다양한 풍속에서 압력 변환기를 보정하고 전압과 속도 간의 관계를 결정합니다.
이 실험을 위해서는 자체 보정된 압력 변환기와 25psf의 동적 압력에 도달할 수 있는 풍동을 사용해야 합니다. 또한 표준 피토 정적 튜브와 유색수의 차동 U-튜브 기마계를 사용하여 이 차동 압력 변환기를 보정합니다.
먼저 수직 찌르기 마운트를 사용하여 테스트 섹션 상단에 있는 윈드 터널 내부에 피토 정적 튜브를 장착합니다. 프로브가 테스트 섹션의 중심에 있는지 확인합니다. 피토 튜브를 흐름 방향과 정렬하여 기본 포트가 공기 흐름에 직접 향하도록 합니다.
다음으로, 기마계 유체의 상단을 유리 튜브의 이중 O 링 마커에 정렬합니다. 주 축척의 판독값이 0에 해당하지 않으면 유체를 다른 기준점에 정렬하고 오프셋 높이를 기록합니다.
T 커넥터를 사용하여 흐름을 한 튜브에서 2개로 나눈 다음 피토 정적 튜브의 정체 및 정적 압력 콘센트를 U-튜브 기압계의 해당 포트에 연결합니다. 수직 표면에 풍터널 테스트 섹션 외부에 압력 변환기를 장착합니다. 표준 전압 공급 장치를 설정하여 압력 변환기와 멀티미터에 전력을 공급하여 출력 전류를 읽습니다. 그런 다음, 변형및 정적 압력 출구를 트랜스듀서의 해당 압력 포트에 연결합니다.
이제 풍관 문을 확보하고 모든 시스템을 켭타보합니다. 그런 다음 풍동 트랜스듀서 압력, 기마계 높이 및 차동 압력 변환기 전류를 판독합니다. 기류 조건에 대한 측정값을 기본선 0 판독값으로 기록합니다. 이제 풍동을 켜고 테스트 섹션의 동적 압력을 하나의 psf로 설정합니다.
흐름이 안정화되면 트랜스듀서 압력, 기마계 높이 차이 및 트랜스듀서 전류를 기록합니다. 한 psf의 단계로 풍동의 동적 압력 설정을 최대 20psf로 늘려 각 단계에서 데이터를 기록합니다. 히스테리시스를 확인하기 위해 한 psf 단계의 동적 압력을 줄이고 다시 psf로 0으로 내려가각 단계에서 데이터를 다시 기록합니다. 모든 측정값이 수집되면 모든 시스템을 종료합니다.
이제 결과를 살펴 볼 수 있습니다. 첫째, 우리는 증가와 동적 압력을 감소와 기마 계 높이 판독의 플롯을 본다. 각 추적에 대해 두 가지 측정값이 여기에 표시됩니다. 하나는 실제 기압계 판독값이고, 다른 하나는 0.8 인치의 오프셋 높이로 수정되었습니다. 우리는 표시된 간단한 방정식을 사용하여 기마계 높이에서 기압을 계산할 수 있습니다. 여기서는 이 경우 물, 중력 가속, 기압계 오프셋 및 높이 측정인 기마계에서 액체의 밀도를 사용합니다.
이제 우리는 기마계 판독에서 압력을 계산했습니다, 우리는 압력 변환기 현재 판독값에 대해 플롯합니다. 압력 변환기에 대한 교정 곡선을 얻으려면 데이터를 개별적으로 늘리고 감소시키는 데 적합하여 두 개의 선형 최선 맞춤 방정식이 생성됩니다.
그러나 데이터 라인업이 증가하고 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 우리는 압력 변환기가 히스테리시스를 전시하지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 따라서 단일 교정 방정식으로 단순화하여 부피가 큰 유체 기미터가 아닌 압력 변환기에서 전류 판독을 사용하여 압력을 측정할 수 있습니다. 피토 정적 프로브를 보정된 트랜스듀서에 연결하면 동적 압력과 풍속을 직접 측정할 수 있습니다.
요약하자면, 비행 중 측정된 압력 차압이 흐름 속도와 어떻게 상관되는지 알게 되었습니다. 그런 다음 피토 정적 튜브를 다양한 풍속으로 적용하여 압력 변환기를 보정하고 전압과 풍속 간의 관계를 결정했습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
다음 상수는 분석에 사용되었다 : 물 밀도, θ물: 61.04 파운드 / 피트3; 중력으로 인한 가속, g: 32.15 ft / s2; 및 기마계 오프 셋, h오프 = 0.8 인치. 동적 압력을 증가시키고 감소시키는 기마계 데이터의 변형(계측기 오프셋에 대한 수정 안)은 그림 7에표시됩니다. 도 8은 방정식 3을 사용하여 계산된 기마계 압력에 대한 트랜스듀서 전류 판독값의 플롯을 보여 주어 있습니다.
압력 변환기에 대한 교정 곡선을 얻기 위해 두 개의 선형 곡선이 각각 증가및 감소하는 데이터 점을 통해 장착됩니다. 해당 선형 맞춤 방정식은 다음과 같습니다.
(5)
(6)
증가 및 감소 곡선에 대한 방정식은 거의 유사하며 그림 8에서관찰된 대로 두 곡선이 서로 정렬됩니다. 따라서 압력 변환기가 히스테리시스가 없다고 추론할 수 있다. 전류와 압력(수학5 또는 6)과 관련된 단일 교정 방정식은 트랜스듀서에 사용될 수 있으며, 따라서 모든 미래의 압력 측정을 위해 부피가 큰 U-튜브 기미터 시스템을 사용하는 필요성을 제거한다.
그림 7. 풍동 동적 압력으로 기마계 유체 높이의 변화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8. 압력 변환기의 교정 곡선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
전기 기계 변환기는 부피가 큰 측정 시스템의 일부에 대한 인기있는 대체이다. 그러나 효과적인 실험 도구가 되기 위해서는 표준화된 측정 장치를 사용하여 트랜스듀서를 정기적으로 보정해야 합니다. 본 실험에서, 상용 정전용량형 전기기계압 트랜스듀서는 아음풍동에서 의 동적 압력 조건의 범위에 대해 트랜스듀서에 의해 생성된 전류 신호를 U-튜브 기노미터의 압력 측정과 비교하여 보정하였다. 결과는 트러스터의 전류 신호와무시할 수 있는 센서 히스테리시스를 가진 압력 사이에 선형 관계가 존재한다는 것을 보여주었습니다. 트랜스듀서 전류 출력과 압력과 관련된 단일 교정 방정식이 얻어졌다.
최신 전기 기계 측정 시스템은 실험 데이터 수집을 자동화하는 경로를 제공하며 데이터 모니터링 및 분석을 위해 실시간 정적 및 동적 시스템에서 사용할 수 있습니다. 그러나 이 실험에서 입증된 것과 같은 적절한 교정 관행은 사용자가 상기 센서를 사용하여 정확하고 반복가능한 데이터를 얻을 수 있도록 도와야 합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
